Сетевые накопители: новое в управлении энергосистемой

Есть проблема

Как известно, передача электроэнергии от генератора к потребителям в электроэнергетической системе (ЭЭС) происходит мгновенно и непрерывно, без возможности её накапливания в значительных (соизмеримых с выработкой) количествах.

Потребление электроэнергии в течение суток происходит неравномерно (в соответствии с суточными графиками нагрузки), поэтому возникает необходимость постоянно регулировать выдачу электроэнергии в сеть, поддерживая в любой момент времени баланс между вырабатываемой и потребляемой активной мощностью. От соблюдения баланса зависит частота электрического тока – одного из показателей качества электрической энергии и важнейшего параметра режима энергосистемы. Согласно государственному стандарту, частота должна находиться в пределах 50 ± 0,2 Гц не менее 95% времени суток, не выходя за предельно допустимые 50 ± 0,4 Гц.

Обычно баланс мощности в системе поддерживается путём изменения выдачи мощности в сеть генераторами электростанций. Такой режим управления ЭЭС не только заметно увеличивает скорость износа генерирующего оборудования, но приводит к дополнительному расходу топлива. Особенно заметен перерасход топлива, когда к регулированию переменной части графика нагрузки привлекаются крупные блоки электростанций. Кроме того, не всегда существует технологическая возможность быстрого пуска/остановки генерирующего объекта. К тому же при аварийных ситуациях, когда резервов мощности на электростанциях недостаточно, для восстановления допустимого уровня частоты применяют ограничения нагрузки потребителей. Это в свою очередь может привести к значительному ущербу, связанному с перерывом энергоснабжения потребителей.

Есть решение

В качестве технического решения проблемы управления ЭЭС может быть предложено создание и применение мощных систем накопления электрической энергии – сетевых накопителей энергии (СНЭ), которые предназначались бы для участия в покрытии пиковых и полупиковых участков суточных графиков нагрузки энергосистемы. Это позволит оптимизировать режимы ЭЭС, снизить расход топлива, значительно повысив энергоэффективность процессов производства и передачи электроэнергии и, в конечном счете, повысить экономическую эффективность управления энергосистемой.

Большой интерес представляют собой широко обсуждаемые в настоящее время в научной среде вопросы о роли и месте систем накопления электроэнергии в интеллектуальной электроэнергетической системе с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС), более известной по зарубежным публикациям как Smart Grid. Согласно одному из тезисов концепции Smart Grid электрическая сеть из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, параметры и характеристики которого изменяются в реальном времени в зависимости от режимов работы энергосистемы. По мнению идеологов концепции Smart Grid, энергетическая система, построенная по принципу Smart Grid, должна упростить взаимодействие объектов традиционной и распределённой генерации с имеющими стохастические (случайные) графики выработки электроэнергии возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и накопителями электроэнергии посредством создания стандартизованной связи «сеть – генерация».

В такой системе применение накопителей электроэнергии целесообразно как в качестве СНЭ, которые работают одновременно с сетью, добавляя или забирая часть нагрузки, так и в качестве традиционных источников бесперебойного питания (ИБП), которые работают только тогда, когда по каким-то причинам отключилось внешнее электропитание.

Эволюция аккумуляторных батарей

В качестве накопителей энергии в энергосистемах с конца прошлого столетия и до настоящего времени широко используются известные и давно применяемые в быту аккумуляторные батареи с различными типами электролитов, на основе которых формируют мощные системы накопления – аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ). Больше половины эксплуатируемых аккумуляторов – кислотно-свинцовые, главным их недостатком является относительно небольшой срок службы – до десяти лет.

В настоящее время проявляется повышенный интерес к литий-ионным накопителям, постоянно ведётся работа по их усовершенствованию. Они обладают высокой энергоёмкостью, глубокими циклами заряда-разряда (70–80%), низким током саморазряда, отсутствием эффекта памяти, то есть лишены недостатков, присущих накопителям энергии на основе серно-натриевых аккумулирующих установок. Тем не менее у литий-ионных аккумуляторов есть и свои недостатки: высокая удельная стоимость, недостаточный ресурс работы (небольшое количество циклов заряда-разряда), существенное уменьшение ресурса при работе в пиковых режимах при заряде и разряде, наличие специальных требований к глубине разряда.

Сегодня сетевые накопители на основе литий-ионных аккумуляторов работают в режимах опытной эксплуатации, и их свойства недостаточно изучены. Специалисты продолжают их совершенствовать.

Альтернативный подход

Промышленное производство широкого класса сверхпроводников дало возможность развернуть работы по созданию макетных и опытно-промышленных образцов силового оборудования для энергосистем на основе использования как высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП, азотный уровень), так и традиционных низкотемпературных (гелиевый уровень) сверхпроводящих материалов (НТСП). Из разработанных сверхпроводниковых устройств (СП) для электроэнергетических систем весьма перспективными представляются сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ). Они могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надёжности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоёмкость, регулирование активной и реактивной мощности. Основные отличительные особенности СПИНЭ состоят в высокой удельной мощности при достаточно низкой плотности энергии, очень быстром времени реагирования (заряда-разряда), неограниченном числе циклов заряда-разряда, отсутствии движущихся частей, малой трудоёмкости работ по техобслуживанию, возможности быстрой перезарядки, высокой эффективности передачи энергии (КПД > 95%). Одним из ведущих научных центров по разработке СПИНЭ в России является ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Очевидно, что включение в электроэнергетическую систему мощных, имеющих лучшие технические и экономические характеристики сетевых накопителей электрической энергии для частичного или полного разделения во времени процессов выработки и потребления энергии является весьма важной комплексной научно-практической задачей, направленной на повышение энергоэффективности процессов производства, передачи и распределения электрической энергии. Именно поэтому с 2013 года ООО «Центр энергоэффективности Интер РАО ЕЭС» совместно с профильными научными институтами и инжиниринговыми компаниями активно участвует в работе по совершенствованию систем накопления электрической энергии и улучшению технических характеристик сетевых накопителей.

Крупнейшим в Европе накопителем на основе кислотно-свинцовых батарей, использовавшимся с 1987 по 1992 год для регулирования частоты в островной энергосистеме и как мгновенный резерв мощности, является установка в энергокомпании BEWAG в Западном Берлине. Мощность двухмодульной аккумулирующей системы – 17 МВт (2 х 8,5 МВт), запасаемая энергия – 14,4 МВт∙ч, время работы – 20 мин.